晶振是為電路提供基準(zhǔn)頻率信號源的一種頻率元件,在前面的文章中億金電子有提到過關(guān)于石英晶振晶片的選擇,晶振刻蝕的影響,晶振片的生產(chǎn)材料等信息,那么下面要給大家說的是利用石英晶振作為微力傳感器的分析講解.

在非接觸測量模式中,微懸臂是要靠壓電驅(qū)動器進(jìn)行AC驅(qū)動來做小幅的振動,隨著其進(jìn)一步的發(fā)展,人們把目光開始轉(zhuǎn)向壓電材料,當(dāng)石英等材料受到應(yīng)變時會產(chǎn)生電荷,而當(dāng)在這些材料上施加電場時,其幾何尺寸就會發(fā)生變化,這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)I18。1990年IBM公司GrutterP等提出了可以將微懸臂粘附在雙晶片之間以產(chǎn)生穩(wěn)定性很好的高頻振蕩信號,從而對由于力梯度的作用下懸臂的形變信號進(jìn)行頻率調(diào)制,通過解調(diào)就可以獲得表面形貌,研究顯示了在固定帶寬的情況下,靈敏度可提高2倍以上。

1991年TR.Albrech等采用在片層壓電材料表面刻蝕出針尖來取代傳統(tǒng)的用si材料做成的微懸臂201。由于壓電材料能將機(jī)械振動特性的變化直接轉(zhuǎn)化為電荷變化,因此不需要激光測微儀,但用其制作的微懸臂品質(zhì)因數(shù)Q值(約200)較低,使得分辨率有待提高,而且在片層壓電材料表面刻蝕出針尖的成本太高。因此必須使用一種高品質(zhì)因數(shù)的壓電材料的傳感器以提高信噪比。

使用針式傳感器的想法在1988年就產(chǎn)生了,當(dāng)時因?yàn)闇y量集成電路的需要,研究人員曾經(jīng)試圖模仿傳統(tǒng)的輪廓儀,將一個針尖制作成圓弧半徑可達(dá)nm級,這樣就可以突破一些物理極限,如光的波長,以獲得大約相當(dāng)于光波長的百分之一的測量精度。但是這需要解決兩個問題:針尖的制備和測量相互作用力。1988年,P.Gunther等人探討了使用石英音叉晶振作為傳感器的可能性，將音叉的一個角作為針尖逼近樣品表面,音叉的幅值和頻率會隨著逼近距離的變化而變化,證明了使用石英晶振作為傳感器,是一個很有希望的發(fā)展方向。1993年,K.BARTZKE等研制出了第一臺這樣的針式傳感器并將它用于AFM的測量中,其針尖的制備使用了機(jī)械蝕刻金剛石的方法為了檢測針尖和樣品之間的接觸,針尖被固定在一個高靈敏度的1MHEZ桿狀晶振上,晶振的諧振參數(shù)的變化可以被相應(yīng)的電路檢測出來。

1995年, A Michels等報道了將晶振作為掃描近場聲顯微鏡的探針的研究。將1MHZ桿狀晶振的尖角作為針尖以45°角與樣品逼近,將晶振受到的阻尼信號作為測量距離的信號得到物體表面的形貌圖。其垂直分辨率達(dá)到了50nm,水平分辨率達(dá)到了200nm,是介于傳統(tǒng)的輪廓儀和SFM之間的一種儀器24。隨著研究的進(jìn)一步深入,研究者開始探討將針式傳感器作為其他類型顯微鏡的應(yīng)用。M. Todorovic等在1998年報道了一種使用音叉作為傳感器的磁力顯微鏡。在石英音叉的一支腳上粘附一個經(jīng)過磁化的非常細(xì)小的針尖,即可構(gòu)成磁力傳感器。石英音叉晶振的腳只有2mm長,200um厚,100um寬,彈性常數(shù)只有200N/m,只有傳統(tǒng)的AFM儀器的十分之-。針尖是電化學(xué)腐蝕鎳絲的方法制作的,針尖的安裝保證了音叉的彈性常數(shù)和Q值不發(fā)生大的變化。

國內(nèi)這一領(lǐng)域的工作開展的比較晚,1997年,計量科學(xué)研究院與西德的合作項(xiàng)目中首次使用了這一技術(shù),之后我們實(shí)驗(yàn)室也在這一領(lǐng)域進(jìn)行了跟蹤研究,并獲得了初步的結(jié)果。

從上述發(fā)展歷程可以看出,使用貼片晶振,石英晶振作為針式傳感器,到目前其測試精度并沒有達(dá)到很高,但是由于其成本低廉,易于獲得,性能穩(wěn)定,在測試方法上具有獨(dú)到的優(yōu)勢,因此是一個很有前途的發(fā)展方向,隨著研究的進(jìn)一步深入,它的測量精度有可能進(jìn)一步提高,這對于工業(yè)界和實(shí)驗(yàn)室來說,是一個性價比很高的測量儀器,對于科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用都具有很大的價值。

石英晶振主要用在電路中作穩(wěn)頻元件。為了克服傳統(tǒng)的掃描探針顯微鏡在應(yīng)用中的不足,本文采用石英晶振作為微力傳感器來取代傳統(tǒng)的微懸臂和位移檢測裝置。而石英晶振有兩個優(yōu)點(diǎn)：

1、壓電效應(yīng),從而使石英晶振免去了中間轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié),形成一個獨(dú)立的直接和即時的微力測量單元。

2、空氣中極高的品質(zhì)因素,從而使最小可測力梯度減小,傳感器的靈敏度提高。

2.1晶振作為測量元件的物理特性研究

石英晶體是六棱柱而兩端呈角錐形的結(jié)晶體,其化學(xué)成分是Si02,下圖所示是石英晶振晶體的坐標(biāo)軸系：

通常將通過兩頂端的軸線稱為光軸(Z軸),與光軸垂直又通過晶體切面的六個角的三條軸線稱為電軸(X軸),與光軸垂直又和石英晶振晶體橫切面六邊形的六個邊垂直的三條軸線稱為機(jī)械軸(Y軸),X軸、Y軸、Z軸統(tǒng)稱為晶體的坐標(biāo)軸系。在同一方向上,石英晶振晶體的性質(zhì)是完全相同的。

石英晶體是一種各向異性的晶體,它具有正壓電效應(yīng)。沿某一機(jī)械軸或者電軸施加壓力,則在垂直于這些軸的兩個表面上就產(chǎn)生了異號電荷,其值與機(jī)械壓力產(chǎn)生的機(jī)械形變成正比,若施以張力,則表面上的電荷與受壓時的符號相反。造成這種結(jié)果的原因是貼片晶振,石英晶振晶體的晶格在壓力下變形,導(dǎo)致電荷分布不均勻。石英晶體還具有逆壓電效應(yīng),如果在石英晶體兩個面之間加一電場,則晶體在電軸或機(jī)械軸方向上就會延伸或壓縮,延伸或壓縮量與電場強(qiáng)度成正比。

如果將石英晶體置于交變電場中,則在電場的作用下,貼片晶振晶體的體積會發(fā)生周期性的壓縮或拉伸的變化,這樣就形成了晶體的機(jī)械振動,晶體的振動頻率應(yīng)等于交變電場的頻率,在電路中也就是驅(qū)動電源的頻率。當(dāng)石英晶體諧振器振動時,在它的兩表面產(chǎn)生交變電荷,結(jié)果在電路中出現(xiàn)了交變電流,這樣壓電效應(yīng)使得晶體具有了導(dǎo)電性,可以視之為一個電路元件。石英晶振晶體本身還具有固有振動頻率,此振動頻率決定于晶體的幾何尺寸、密度、彈性和泛音次數(shù),當(dāng)石英晶振晶體,有源晶振的固有振動頻率和加于其上的交變電場的頻率相同時,晶體就會發(fā)生諧振,此時振動的幅值最大,同時壓電效應(yīng)在石英晶振晶體表面產(chǎn)生的電荷數(shù)量和壓電電導(dǎo)性也達(dá)最大,這樣石英晶體諧振器,石英晶振晶體的機(jī)械振動與外面的電場形成電壓諧振,這就是石英晶體作為振蕩器的理論基礎(chǔ)。

石英晶體的電氣特性可用圖中所示的等效電路圖來表示,由等效電阻R1、等效電感L1和等效電容C1組成的串聯(lián)諧振回路和靜態(tài)電容Co并聯(lián)組成,靜態(tài)電容C0主要由貼片晶振,有源晶振,石英晶體的尺寸與電極確定,再加上支架電容組成。等效電感L1和等效電容C1由切型、石英晶體片和電極的尺寸形狀來確定。等效電阻R1是決定石英晶振Q的主要因素,是直接影響石英晶體諧振器工作效果的一個重要參數(shù)。R1不僅由切型、石英晶體片形狀、尺寸、電極決定,而且加工條件、裝架方法等對其影響也很大。因此,同一型號,同一頻率的若干產(chǎn)品其Q值也相差很大。

在等效電路中,L1和C1組成串聯(lián)諧振電路,諧振頻率為:

通常石英晶體諧振器的阻抗頻率特性可用圖2.3表示。此處忽略了等效電阻R1的影響,由圖可見,當(dāng)工作頻率f時,晶體呈容性;當(dāng)工作頻率在f0與f之間時,晶體呈感性;當(dāng)工作頻率f>f時,晶體又呈容性。晶體在晶體振蕩器主振蕩級的振蕩電路呈現(xiàn)感性,即工作頻率在f于f之間。